电磁组——申请书

队名雷速登 参加组别光电/摄像头/磁导 是否有实验室支持有/无（ ） *允许同时报名参加竞速组和创意组，但是创意组需要提交创意组的报名表 姓 名学 号 性 别年 龄 学生类别班级 系 别联系电话 参赛 队员 信息 （队长） 电子邮箱 姓 名学 号 性 别年 龄 学生类别班 级 系 别联系电话 参赛 队员 信息 电子邮箱 姓 名学 号 性 别年 龄 学生类别班 级 系 别联系电话 参赛 队员 信息 电子邮箱 设计报告 整 车 描 述 （要求描述整车的机电与程序的大致构造和你对整辆智能车的认识） 见附件 1 电 路 设 计 （描述供电、传感、驱动等电路的设计原理） 见附件 2 程 序 设 计 （描述 PWM 波输出、PID 控制、传感信号的获取等程序设计的流程） 见附件 3 注：学生类别填写研究生或本科生，如果是本科生，还需写明具体年级；设计报告要求篇 幅不超过 10 页。 附件 1: 系统框图 整个车体系统可描述为：采集信号信号数字化单片机处理数据控制机械。 最终要实现设计制作一辆能够自动识别特制跑道并能沿跑道行驶的智能小车。 整个系统主要包括三大方面：机械结构安装，硬件电路设计，软件算法设计。按模块划分 为：电磁传感模块，电机控制模块，舵机驱动模块，速度检测模块，电源模块等。整个系 统为一个闭环控制系统，通过电磁传感采集的道路信息及软件算法对起跑线、直道、弯道 等的判别来调节舵机转向，控制小车的位置。结合速度检测模块的反馈信息精确控制小车 的运动状态。以主 MCU 为中央纽带控制和协调各模块调理有序的稳定运行。 机械部分： 该部分主要涉及有关电机、舵机、底盘、车轮等智能车的控制采用的是前轮转向，后轮驱 动方案。该部分所要结决的主要有车重、重心、车轮制动、行驶方向控制等问题，机械部 分对于整个智能车可以说是一个基础，只有机械部分能够制作的合理，在后面的程序设计 才会有更大地发展空间，才会有可能取得突破。 硬件电路部分： 硬件部分要为系统的各个模块供电，而各个模块对电源的需求不一，有的需要电压稳定、 有的需要大的驱动力，所以供电时要合理选择芯片以满足各个模块的需求。由于在电磁组 中所要采集处理的信号只有电压所以对于软件算法有所减弱，但是加大了电路的开销，所 以电磁组的电路相对比较复杂，有小信号放大等问题需要解决。 对于电路设计、程序算法来说最重要就是对于电磁与赛道的数学模型的能否正确、合理地 建立，建立数学模型后就可以设计电路的接收部分，然后是对接收到的小信号放大，这其 中 这其中又涉及干扰等问题，放大信号后就要对其进行 AD 转化然后进行数据处理。 电路中还要包括便于调试车的相关模块和不同模式的电路，并且还要设计几个简单、方便 的设备，例如拨码开关来选择不同模式、数码管来显示车运行的相关信息等。 软件算法： 程序设计为软件运行服务，软件运行需要配置单片机各个模块寄存器数值，使单片机各个 模块正常工作。单片机根据采集的数据计算出赛道与赛车的偏差产生 PWM 波进而对舵机进 行控制，使其不偏离赛道。还要对测速的数据分析，合理地改变速度，要产生车的调试信 息，以便于调试。算法中最重要的就是 PID 算法，通过程序对车进行控制。 无线发送模块 主 控 模 块 电机控制模块 速度检测模块 舵机驱动模块 磁场传感模块 电源模块 附件 2： 下面我们根据系统设计总框图，阐述一下电路的相关设计思路： 1.电源模块电源模块 单片机系统、路径识别的红外传感器、测速传感器均需 5V 电源。舵机工作电压范围 4V6V，为提高舵机响应速度，舵机和后轮驱动电机都采用 7.2V 供电 采用芯片：采用芯片： 两类芯片的优点和缺点都比较明显，所以在使用时需综合考虑，扬长避短。由于单片机需 要提供稳定的 5V 电源，纹波不易过大，否则可能会导致单片机运行异常。而 LM2940 的输 出线性度非常好，且芯片的压差不大，最小可到 0.6V，对于本次比赛所用的电源 7.2V 来说 无疑是最佳搭档。所以选用 LM2940-5 单独对单片机进行供电。光电传感器需要较大的工 作电流，功耗很大，而纹波对功能上没有太大影响。所以对驱动芯片的要求是能够提供充 足的驱动力才是最主要的。LM2576-5 转换效率高，带负载能力强，输出电流范围在 1.5A3A，对红外传感器及测速模块供电还是很不错的，能保证充足的电源。尽管 LM2596 的输出线性度好且输出的稳定电流可达 3A，但是该芯片的价格昂贵。在 LM2576 能满足要 求的情况下，其优势也就没有那么明显了。因此最终还是选用 LM2940-5、TPS7350 和 LM2576-5 分别对传感器检测电路、最小系统和控制电路供电。 2. 电机、舵机驱动模块电机、舵机驱动模块 （1）电机驱动电路常选用 MC33886 驱动芯片，其使用简单，只需通过相应引脚输入不同 的 PWM 波调节电机转速，该芯片支持正反转和制动功能且解决了死区问题。对于初学者 来说不用考虑死区肯定是有利无弊的。但芯片的导通电阻较大(约 120 毫欧)，若长时间工 作，芯片发热过大导致电阻增大，降低芯片的驱动力。所以，寻找了相应内阻比较小的驱 动芯片 BTS7960。BTS7960 具有很小的内阻，可通过 49A 的电流的半桥驱动芯片。16m 为方便使用，采用两片 BTS7960 并联来达到全桥的效果，如下图。 （2）舵机作为一种位置伺服驱动器件，通过改变输入信号 PWM 波的占空比调整输出角度， 实现伺服功能。作为控制赛车循迹行走的关键，要求舵机驱动的转向机构具有精确的角度 控制和快速响应能力。我们采用以下三点实现舵机的要求：直接用 7.2V 2000mAh Ni-cd 电 池供电，提高舵机的响应速度；采用两位 PWM 连续使用，提高输出角度的分辨率；输出 100HZ 的调制方波，减小控制信号的延时。 3.传感器模块传感器模块 （1）首先对电磁场进行数学上的建模将其和赛车与赛道的偏离联系起来 图 4-1 直导线稳恒电流磁场示意图 如图 4-1 所示，感应磁场的分布是以导线为轴的一系列的同心圆。圆上的磁场强度大 小相同，并随着距离导线的半径 r 增加成反比下降。 如果分析离地面高度为 h 的水平面上的磁场强度分布，对于长直导线，其分布是相对 于导线所在铅垂面对称的；而对于弧形导线，即赛道的弯道处，弧线内侧磁力线密度较大， 其磁场强度较强，外侧则相对较弱。但由于赛道转弯半径较大（最小 50cm），因而磁场强 度的差别并不十分明显。 根据法拉第电磁感应定律，线圈磁场传感器的内部感应电压 E 与磁场 B(t)、电磁线圈 的匝数 N、截面积 A 的关系有： dt td dt tdB NAE )()( )()( 0 感应电动势的方向可以用楞次定律来确定。 由于导线中电流频率较低，感应线圈截面较小，因而可以认为感应线圈范围内磁场均 匀分布，则线圈中感应电动势可近似为： dt dI r k dt td E )( 即感应电动势与电流变化率成正比，与线圈到导线距离成反比。式中 k 是与线圈截面 积、匝数、磁芯磁导率及线圈摆放方式等相关的常量；对于同一条赛道，dI/dt 是固定不 变的，取 K=kdI/dt，则有： r KE 1 即感应电动势 E 只与线圈到导线距离有关。 公式(2-4)中 B 是距离导引线 r 处的磁场强度，它是一个矢量场，而感应线圈只能检测 其在线圈轴线方向上的分量。 图 4-2 磁场分量示意图 立放的线圈可以测得 B 的垂直分量 BV，卧放的线圈可以测得 B 的水平分量 BH，则对于 矢量计算有： 公式(2-9) HV BBB 由于传感器有放置高度 h，因而实际需要检测的是线圈与导线的水平距离 d。则可得 BV、BH 与 d 的关系8： 22 0 2 cos hd dI BBV 22 0 2 sin hd hI BBH 图 4-3 BV-d 图 4-4 BH-d 如图 4-3 所示，BV 在 d=0 的两侧都非单调，因而不能用立放线圈检测 d；如图 4-4 所 示，BH 在 d=0 两侧分别单调，因而可以用卧放线圈检测 d。 可知，在对静态磁场 BH 有： 22 hd h NmnBmEU Hs 也就是说，在 I 和 h 一定时，经信号处理后的输出电压 Us 与 BH 对 d 具有相同形式的 曲线，如图 4-4 所示。 （2）电磁传感器检测路面信息的原理是由电感和电容并联产生相应的特定频率谐振，其频 率的设定为跑到信息频率的附近，再由谐振感应跑到上由变化的电流产生的变化的磁场， 从而产生相应的交流电压，再将相应的交流的电压进行放大、整流和滤波从而变化成相应 的电压，如图（a） 。按照比赛规则要求，跑完一圈后赛车需要自动停止在起始线之后三米 之内的赛道内，起跑线的检测采用钢簧管检测，如图（b） （a）道路检测模块 （b）起始线检测 考虑到舵机响应速度较慢( 0.11s/60)，难以满足高速行驶中的转弯要求，小车容易冲出跑道。 为了使小车在偏离赛道后还能重新调节角度回到赛道，特意在小车前轮的左右两边各安装 一个光电传感器，并设定其路径识别优先级最高以保证在小车前轮冲出赛道时能感知到黑 线，即时做出相应反应。 4.速度检测模块速度检测模块 受小车机械结构限制，必须采用体积小，重量轻的传感器。本队采用 500P 的测速电机，采 用的测速电机的好处有以下几点：使用方便，它是集成的，可以直接买到，不必花费太 多的时间；效果好，它是 500P 的，即：转轴转动一周，会产生 500 脉冲，其精度很高； 干扰很小。若知小车后轮的周长是 x,转一圈传感器检测 n 条黑色标记，设定在 t 时间内， 传感器检测了 m 条黑色标记，小车的速度 v 为： v=x(m/n)/t 。由此可以测量出小车的运 行速度。 5.无线发送模块、人机交互模块无线发送模块、人机交互模块 使用 ZigBee 将车的相关信息发送到电脑，进行分析以便于更好地调试赛车的相关参数。 使用拨码开关来方便地设置赛车的模式，使用数码管对车速进行显示，以便在不使用电脑 的简单情况下对赛车进行观测。 附件3： （1）MC9S12DG128 微控制单元作为MC9S12 系列的16位单片机，由标准片上外围设备组成， 包括16位中央处理器、128KB的Flash 存储器、8KB的RAM、2KB的EEPROM、两个异步串行通 信接口、两个串行外围接口、一组8通道的输入捕捉或输出捕捉的增强型捕捉定时器、两组 8 通道10 路模数转换器、一组8通道脉宽调制模块、一个字节数据链路控制器、29路独立 的数字I/O接口、20路带中断和唤醒功能的数字I/O 接口、5个增强型CAN总线接口。同时， 单片机内的锁相环电路可使能耗和 性能适应具体 操作的需要。MC9S12XS128片内资源表如下图： MC9S12XS128片内资源 （2）电磁组智能车系统总体而言是以检测电磁场信号为基础，通过单片机处理信号实 现对车体控制，实现车体能够准确沿着预设路径寻迹。 程序设计：（描述 PWM 波输出、PID 控制、传感信号的获取等程序设计的流程） 程序设计为软件运行服务，软件运行需要配置单片机各个模块寄存器数值，使单片机 各个模块正常工作。初始化中包括：单片机时钟配置、I/O 口配置、PWM 模块配置、A/D 模 块配置、RTI 实时中断配置、脉冲捕捉模块配置。当初始化完毕后，开始对传感器输入信 号进行采样，当完成一次采样后将采样值输入控制算法，控制算法经过运算得到应该偏转 的角度和速度，通过改变 PWM 模块内部寄存器数值可以得到不同占空比的方波信号，实现 对舵机和电机的调节。如下图所示： 程序初始化 传感器是否 完成采样 控制算法 控制舵机 调节速度 是 否 PWM 波输出： PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的 占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给 定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以 一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加 到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使 用PWM进行编码。脉宽调制模块有8 路独立的可设置周期和占空比的8 位PWM 通道，每个通 道配有专门的计数器。该模块有4 个时钟源，能分别控制8 路信号。通过配置寄存器可设 置PWM 的使能与否、每个通道的工作脉冲极性、每个通道输出的对齐方式、时钟源以及使 用方式（八个8 位通道还是四个16 位通道）。通过PWM输出来控制电机和舵机。 PID 控制： 模型车在直道上的速度相差不是很大，在弯道上的比拼才是整个比赛的重点，因此如何优 化弯道的算法才是整个控制算法的关键。PID 控制是工程实际中应用最为广泛的调节器控 制规律。问世至今 70 多年来，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工 业控制的主要技术之一。PID 调节是 Proportional(比例)，Integral(积分)，Differential(微分) 三者的缩写，是一种过程控制算法,就是对误差信号(采样信号与给定信号的差)通过比例,积 分,微分的运算后的结果作为输出控制信号来控制所要控制的对象。 比例调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节作用用以减少 偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比 例使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。 积分调节作用：是使系统消除稳态误差，提高误差度。当有误差时，积分调节就进行，直 至无误差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间 Ti，Ti 越小，积分作用就越强。反之 Ti 大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动 态响应变慢。 微分调节作用：微分作用反应系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋 势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此， 可以改善系统得动态性能。在微分时间选择合适的情况下，可以减少超调，减少调节时间。 微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。 通过传感器提取赛道信息后，根据智能车实际需要，设计的跟踪控制程序中就包括速度 控制和电机控制两部分，而这里就主要使用增量式PID控制。整个控制的过程如下图所示： 方方向向PID 期期望望位位置置 舵舵机机赛赛车车 位位置置偏偏差差 赛赛道道变变化化 - 电电磁磁传传感感器器 赛赛道道位位置置 - 偏偏差差 速速度度规规划划 期期望望速速度度 速速度度PID电电机机驱驱动动 电电机机速速度度 速速度度传传感感器器 实实际际速速度度 赛赛道道提提取取 - 电电机机 PID 控制主要用于舵机和电机控制，各环节的具体参数要经过反复的调整，以达到 对各种赛道类型的适应性的平衡。各环节的注意点如下： P 环节：和控制的力度相关，过 软和过硬都不好。可以适度地采用分段 P 的方法，即黑线在车的中间位置时 P 较软，黑线 偏离较远时 P 较硬，以实现部分赛道的优化。 I 环节：I 环节可以使控制更加精准，但也 有使控制变迟钝的负面效应，所以在前瞻较近时不宜加如 I 环节，而当前瞻比较充足时可 以适当加入 I 环节，这样可以弥补分段 P 的一些不足，也提高了控制的精准程度。 D 环节： D 环节能起到对赛道变化趋势预测的作用。适当加入 D 环节可以使转向更灵敏，并能起到 优化大 S 参数的作用。D 的缺点是会放大“噪声” ，对检测到得信息进行数字滤波可以部分 解决这个问题。 传感